3D 프린터는 3차원 단위의 설계도를 바탕으로 프린터 종류와 필라멘트의 특성에 따라 다양한 소재를 이용하여 제작자가 원하는 입체적인 물체를 단시간에 손쉽게 만들어 낼 수 있는 기기로, 최근 그 활용범위와 전파성 등으로 각광을 받고 있는 분야이다.
3D 프린터의 등장은 설계비용, 제작시간, 노력 등을 대폭 줄이며, 대형 제조설비 없이 창의적인 제품 제작이 가능해 ‘제품생산의 민주화’라고까지 불리워지고 있다.
현재 국내·외에서 3D 프린터 제작기술을 이용하여 무인 항공기, 주택, 자동차, 음식, 화장품 등 산업에서 개인의 ‘DIY’ 분야까지 다양한 분야에서 제품 생산이 시도되고, 판매되고 있다.
또한 제조업 분야를 넘어 치과치료, 피부이식, 맞춤형 보청기, 인공장기 등 의료 분야에서 이미 적용되고 있다.
국내 대표적인 3D 프린팅 기술을 접목시킨 치료사례로 코가 없는 몽골 어린이의 인공 콧구멍과 기도를 만드는 수술에 3D 프린터를 이용하여 실리콘으로 제작된 인공기관을 이식한 성공 사례가 대표적이다.
3D 프린팅 기술 스타트업 만드로(Mand.ro.)를 창업한 이상호 대표는 온라인 커뮤니티에서 알게 된 두 손을 잃은 친구에게 3D 프린팅 기술을 이용하여 전자의수 제작을 시작하게 되었다.
3D 프린팅 기술을 이용하여 전자의수 외골격을 출력하고, 신체 신호를 감지하는 센서(sensor)와 이를 제어하는 초소형 컴퓨터 아두이노(Arduino)모듈-‘물리적인 세계를 감지하고 제어할 수 있는 인터랙티브 객체들과 디지털 장치를 만들기 위한 도구로, 간단한 마이크로컨트롤러(Microcontroller) 보드를 기반으로 한 오픈 소스 컴퓨팅 플랫폼과 소프트웨어 개발 환경’을 연결해 전자의수를 완성하였다.
이를 계기로 현재는 이용자 개인별 자동 맞춤형 제작 기술을 확보하고자 하는 장기적인 목표를 세우고, 오픈소스 전자의수 제작 플랫폼을 기반으로 저비용으로 전자의수를 제작하여 필요한 장애인들에게는 고가의 과도한 부담금을 감소시키고, 관련 업계 및 연구기관과 개발협력을 통한 연구개발 형태를 진행하고자 중장기 계획을 가지고 노력 중이다.
부산지역의 비영리단체 'FunMove'는 김근배 원장을 중심으로 3D 프린터와 전자의수 제작에 관심 있는 사람들로 구성되어 있다.
현재 'FunMove' 그룹에서는 개선된 버전의 전자의수를 만들고 있으며, 3D 프린터로 의수를 출력하고, 아두이노 회로를 부착한 서보모터를 이용하며, 사용자가 팔뚝에 힘을 줘서 압력센서를 늘리면 손가락이 작동하는 방식이다.
이 모임의 목표는 처음으로 전자의수를 만들어 환자에게 제공하면, 그 환자가 또 다른 전자의수를 제작해 도움을 주는 형식으로 발전하도록 하자는 것을 목표로, 환자와 환자를 잇는 네트워크에서 확산의 가능성을 위해 노력 중이다.
기존 전자의수는 수 백만 원에서 4천만원 정도에 이르는 정도까지 고가의 가격대를 형성하고 있으나, 3D 프린팅기술을 이용하여 제작된 전자의수는 수 십만원 가격으로도 제작이 가능하며, 또한 빠르고 이용자 개인맞춤형으로 제작이 가능하여 산업재해 등으로 장애를 입은 다양한 형태의 절단 장애인에게 새로운 희망으로 대두되고 있다.
로봇연구자들과 의공학 연구자들이 함께 근력보조기기에 대한 연구가 활발하게 진행하고 있는데, 잃어버린 팔, 다리 기능을 대신하는 의족, 의수 개발에서 최근에는 사람의 신경과 연결해 움직일 수 있는 착용형(wearable) 인공 팔, 다리로 개발 되고 있다.
즉, 근전도(EMG)로 대표되는 인간의 생체신호를 측정하여 근력을 계산한 후 다양한 보조 장치에 전달하여 움직이게 되는 원리인데, 로봇 기술을 적용한 인공 팔 다리는 영화 ‘아이언맨’에서처럼 입는 로봇, 즉 외골격로봇(exo-skeleton robot)으로 군사적 목적으로 개발이 진행 중이다.
그러나 이러한 새로운 기술은 근력이 약한 고령자들을 돕거나 사고 등으로 인한 보행이상자들을 돕는 재활영역에 기여하고 있다.
KAIST 김정 교수팀은 외골격(exo-skeleton) 구조물의 한 부분을 3D 프린팅 기술로 제작한 연구개발 결과로 실제 착용하여 사용하는 내용을 발표한 바 있다.
이는 세계적으로 그 유래를 찾아 볼 수 없을 만큼의 빠른 속도로 ‘고령화 사회’ 진입속도를 보이고 있는 우리나라의 특성을 고려해 볼 때, 국내의 3D 프린팅 기술을 이용하여 맞춤형으로 제작, 보급, 활용은 그 효용성이 높을 것으로 기대된다.
실제로 환자에게 임상적용이 가능한 형태로 체내에서 생분해되는 제품에 대한 연구결과가 최근 발표된 바 있다.
자체 제작한 3D 프린팅 시스템과 의료기기 생산을 위한 GMP 인증과 함께 해당 제품은 관련 인·허가를 KFDA로부터 획득하였다 전해지는데, 원재료는 PCL12라는 물질로 체내에 들어왔을 때 내부구조에 따라 변형이 이뤄지지만, 통상적으로 2년 정도 체내에 머무르다 분해된다.
이는 국내 최초로 3D프린터로 만들어진 생분해 가능한 의료기기에 해당하는 것으로 현재 임상적용을 시험하고 있으며, 안구주변 결손발생시 결손부분을 재건해 줄 수 있는 ‘환자 맞춤형’ 형태로 결손부분을 재건하는 부분, 골 조직 재생 시 메워 주는 부분, 코 연조직 재생 등에 적용하고 있다.
또 PCL은 상당히 안정적이긴 하나, 기능적으로 완벽한 재료는 아니라서 뼈를 유도해 주는 능력이 우수한 재료, 강도를 유지하기 위한 재료를 PCL에 첨가하여 연구개발이 진행 중이라 한다.
또한, 최근에는 포스텍 기계공학과 조동우 교수, 카톨릭대 성바오로병원 치과 이상화 교수, 한국산업기술대 기계공학과 심진형 교수 공동 연구팀은 3D 프린팅 기술을 이용하여 혈관 조직이 안팎에 고루 분포된 뼈 조직을 출력하는 기술을 개발하였다.
연구팀은 3D 프린터 재료로 발치한 치아 끝의 연조직인 치수를 사용하였으며, 치수에 들어 있는 줄기세포는 혈관이나 뼈 조직 양쪽으로 재생이 가능하다. 출력된 뼈 조직을 실험쥐 등에 이식하여 잘 자라는 것을 확인했다고 한다.
3D 프린팅 기술에 시간이 지남에 따라 스스로 모양이 변환하는 물건을 제작하는 개념을 뜻하는 4D 프린팅은 특정 외부조건 하에 변하는 소재를 사용함으로써 자가조립(Self-assembly)이나 자가변형(Self-transformation)이 가능하게 된다.
미국 존스홉킨스대학에서는 암 치료에 4D 프린팅 기술 적용하여, 몸속에서 스스로 조립되어 암세포 하나를 집어낼 수 있는 장치를 개발하기도 하였다.
국내에서는 분당서울대학교병원과 정보통신산업진흥원이 의료 4D 프린팅 기술 확보 및 산업화를 위한 상호협력에 관한 업무협약을 체결하였고, 의료분야 4D 프린팅 분야에서 기술개발, 임상시험, 실증 테스트까지 구체적인 협력을 할 예정이라고 한다.
의료분야에서의 3D 프린팅의 적용은 개인맞춤 의료가 가능하며, 또한 이전에는 불가능했던 치료도 가능하게 되는 혁신이 일어나고 있다.
이러한 혁신은 위의 적용사례에서 보듯이 3D 프린팅 스타트업 업체, 기계공학자, 로봇공학자, 의료진, 환자 등 관련된 사람들이 모여 이 기술이 누구에게 왜 필요한가에서 출발하여 융합 연구 및 기술개발을 진행하고 있다.
의료분야 3D 프린팅 기술의 적용은 3D프린팅 산업계의 일방적인 연구개발 추진보다는 연구 개발자가 무엇보다도 환자마다 가지고 있는 어려움을 파악하여 이를 안전하게 해결해주는 협업적 접근이 필요 할 것이다.
WHO는 의료, 보조기구에 대해 아래와 같은 속성들을 권고하고 있는데, 환자들에게는 기술의 우수성만이 아니라 사용 용이성, 가격 측면이 고려된 실용성 등도 중요한 요소임을 분명히 하는 것이다.
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